TLB 是性能瓶颈
TLB 缺失代价极高（约 100 倍指令时间），大页能指数级提升覆盖范围。
6.1810 / 6.1810 · 第 9 课 · rtm
现代操作系统如何自动在 4KB 基础页与 MB 级超级页之间做出选择？本节课以 Navarro 等人（OSDI 2002）的经典论文为核心，探讨内核对透明大页（Transparent Superpages）的支持。
上节课的重要结论：现代操作系统中，页分配通常是惰性的——远比 xv6 更加惰性：
sbrk() 申请内存时，页表一般不会立即改变好处是透明的快速启动：程序可以放心申请大量内存，而无需担心物理 RAM 的大小。
分页（Paging）也称"换页到磁盘"（Paging to Disk），其历史可以追溯到内存非常昂贵的年代。即便在今天，Linux 仍然支持换页到磁盘，原因包括：
假设一台机器只有 2 页物理内存，但程序想使用 4 页数据：
| 组件 | 内容 |
|---|---|
| 页表 | 4 个 PTE |
| 物理 RAM | 2 页（初始空闲） |
| 磁盘 | 4 页交换空间 + 1 页可执行文件 |
处理流程：
我们实际上把 RAM 当作磁盘的缓存，磁盘充当"后备存储"。
如果驱逐的页面很快就会被使用，将引发又一次缺页和磁盘读取。一次磁盘读取约需 1 毫秒——相当于一百万条指令的时间！糟糕的驱逐策略会导致大量耗时的缺页异常。
内核维护一个包含所有物理页号的 LRU 列表：
三个 LRU 列表：
| 列表 | 作用 |
|---|---|
| Active | 最近被访问过的页面 |
| Inactive | 从 Active 降级、尚未写回的页面 |
| Cache | 已清除脏位、长时间未使用的干净页面 |
Cache 列表中的页面可直接用于缺页分配，保持 Cache 列表非空对快速处理缺页至关重要。
干净页在磁盘上已有副本（来自之前的换出或只读可执行文件），重用前无需写回磁盘；脏页则必须先写回。驱逐干净页可显著降低缺页延迟。
LRU 本质上是一种预测：最近使用的页面很可能很快再次使用。多数情况下效果很好，但某些场景下表现极差：
反例：对巨大内存空间的重复顺序扫描——程序几乎会在每个页面上缺页，而 LRU 恰好会驱逐程序即将访问的页面！因此，某些系统采用随机替换策略。
Translation Lookaside Buffer (TLB) 是 CPU 内部的虚拟地址到物理地址转换的缓存，本质上是一张 (va, pa) 表。
每次内存引用（加载、存储、指令取指）都需要 va→pa 转换。CPU 需要大约每周期完成一次（纳秒级）。
由于必须极快，TLB 通常只有很少的条目：
128 条目 × 4KB 页 = 半兆字节！
1024 条目 × 4KB 页 = 4 兆字节
对于拥有 16GB+ RAM 的机器和程序来说微不足道。任何常规使用超过此范围的程序都会 TLB 缺失。
128 个 TLB 条目 × 2MB 页 = 1/4 GB！现代 CPU 确实拥有至少这么大的超级页。
如果程序只使用每个大页的一小部分，会浪费大量 RAM。因此，能够混合使用小页和大页是有吸引力的。
目标：内核自动在基础页和超级页之间选择，以提升 TLB 覆盖范围、减少 TLB 缺失的浪费时间。需要适应程序特征（包括行为变化）、兼顾大小程序、应对松紧内存压力，并透明地完成。
给进程分配 2MB 超级页本质上是一种预测：进程将在不久的将来较密集地使用这 2MB 空间。预测错误 → 浪费 RAM。核心张力：更少 TLB 缺失 vs. 浪费 RAM。
| 策略 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
sbrk() 调用时 |
— | 难以从参数猜测情况；sbrk(2MB) 不一定意味着会全部使用 |
| 2MB 区域内首次缺页时 | 知道它至少会用一些 RAM；立即获益 | 可能只用一小部分，浪费 RAM；假设超级页通常合适 |
| 区域内所有页都缺页时（论文方案） | 确定使用了 100% 的 2MB | 在超级页生效前让程序运行了相当长时间 |
必须满足：连续、2MB 对齐、空闲。物理内存通常是"碎片化"的——已用和空闲页交错排列。
如果程序只使用 2MB 的一部分，预留页仍可作为缓存页被原始映射重用，避免了内存浪费。只有当程序确实使用整个 2MB 时，才提升为超级页。
内存紧张时，小页可能占用更少 RAM。但：
方案：对超级页设置读保护，首次写入时降级，以获得更细粒度的 Dirty 位。
论文 Table 1 显示，在各种真实基准测试中，超级页通常带来约 10% 的性能提升，有时更高。但请注意，该表的前提是"内存充足"。
收益往往相当适中，但代价（内存浪费）可能非常大。这正是透明大页设计持续演进的根源。
Q1：TLB 的"覆盖范围"（reach）是什么？
Q2：为什么使用大页（超级页）？
Q3：论文的超级页分配方案中，"预留"页面但不立即分配的好处是什么？
Q4：为什么 LRU 页面置换策略对"重复顺序扫描巨大内存"的程序表现很差？
Q5：为什么内核有时需要降级（demote）超级页？
TLB 缺失代价极高（约 100 倍指令时间），大页能指数级提升覆盖范围。
分配超级页是对程序行为的预测——预测错误会浪费 RAM，预测正确减少 TLB 缺失。
物理内存碎片化使连续 2MB 空闲区域难以找到，需要预留或压缩策略。
透明大页设计持续变化，收益适中但代价可能很大，许多应用选择显式管理。